CN112412712A - 一种风力发电机叶片加热系统及方法 - Google Patents

一种风力发电机叶片加热系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种风力发电机叶片加热系统及方法，包括运行废热吸收系列设备和热气流输运系列设备，其中，运行废热吸收系列设备布置在机舱内，所述运行废热吸收系列设备上设置有冷空气入口和热空气出口，所述热空气出口连接热气流输运系列设备的热空气入口；所述热气流输运系列设备上设置有热空气出流口，所述热空气出流口连接叶片根部开设的叶片根部孔；本发明免去了现有风力发电机叶片加热设备需要单独设置电加热单元的问题，节省了大量电加热电能，现阶段，风力发电上网电价较高，运用这种方法有效解决了相关设备造成的电能浪费问题，为发电企业节省了大量运行成本。

Description

一种风力发电机叶片加热系统及方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，特别涉及一种风力发电机叶片加热系统及方法。
背景技术
风力发电是利用地球环境中风的能量，将其通过风力发电机转化为电能，已实现供能的发电手段，其发电过程清洁无污染，是完全的可再生能源形式。同时，全球风资源蕴藏丰富，在降低二氧化碳排放的大环境下，风电是调整能源结构的关键所在，世界各国近年来在风电领域都进行了长足的发展，我国在设备制造、技术研发、装机并网方面都取得了很大的成就，风电装机量不断扩大，发电量持续提高，总体能源占比有效提升。
随着风电产业布局的不断深入，在高湿度、寒冷区域部署风力发电机的数量开始增加，在这一类区域如遇到低温和冻雨、雨夹雪等异常天气，风机叶片很容易出现覆冰现象，叶片在覆冰状态下运行会严重干扰风机的载荷和气动特性，危及风电机组的运行安全，大大降低风机的发电量和运行经济性，甚至出现风机倒塔和叶片断裂等重大生产安全事故。对于叶片覆冰问题，一般通过叶片加热融冰的方式加以解决，但现有叶片加热技术需要通过电加热等方式从外部引入热量，耗费大量的电能资源，降低了电站的运行效率和经济性。同时，风力发电机在运行期间，机舱内的齿轮箱、发电机、变流器由于能量转换不完全的问题会产生大量的热，这些热量需要通过专用的冷却系统排放到环境中，冷却系统的耗能较大，这部分热量也没有得到充分地利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机叶片加热系统及方法，解决了现有的风力发电系统中，叶片覆冰现象所采用的手段存在成本高、电站效率低的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种风力发电机叶片加热系统，包括运行废热吸收系列设备和热气流输运系列设备，其中，运行废热吸收系列设备布置在机舱内，所述运行废热吸收系列设备上设置有冷空气入口和热空气出口，所述热空气出口连接热气流输运系列设备的热空气入口；所述热气流输运系列设备上设置有热空气出流口，所述热空气出流口连接叶片根部开设的叶片根部孔。
优选地，所述运行废热吸收系列设备包括换热系统、发热源和分流盘，其中，换热系统的冷端入口连接风机的出风口；所述换热系统的冷端出口连接发热源的冷端入口；所述换热系统的热端入口连接发热源的热端出口；所述换热系统的热端出口连接分流盘的入流口；所述分流盘的出流口连通热气流输运系列设备。
优选地，所述分流盘为环形柱状件，安装在机舱靠近导流罩一侧的开口处；所述分流盘上设置有封闭的环形空腔结构；所述分流盘的一端端面上开设有入流口；所述分流盘的另一端端面上开设有与风机叶片数相同的出流口；所述入流口和出流口均与封闭的环形空腔结构连通。
优选地，所述多个出流口沿分流盘的圆周方向布置。
优选地，所述入流口至少开设有一个，每个入流口连接有一个第四管道；所述第四管道的自由端连接换热系统的热端出口。
优选地，所述热气流输运系列设备包括集风盘为环形柱状结构，且安装在导流罩靠近机舱一侧的开口处；所述集风盘的一端端面上开设有环形凹槽；所述集风盘的另一端端面上开设有与风机叶片数相同的集风盘出流口；所述集风盘出流口与环形凹槽连通；所述环形凹槽与运行废热吸收系列设备上的出流口相连通；每个集风盘出流口连接对一个叶片上的叶片根部孔。
优选地，所述环形凹槽的宽度大于运行废热吸收系列设备上的出流口的直径。
优选地，所述集风盘与运行废热吸收系列设备中的分流盘之间连通，且两者之间设置有间隙；所述间隙内设置有密封环。
优选地，风力发电机组中的轮毂上开设有与叶片数量相等的侧孔；所述侧孔内配合安装有第五管道，所述第五管道的一端与热气流输运系列设备的出流口连通；所述第五管道的另一端与叶片根部开设的叶片根部孔连通。
一种风力发电机叶片加热方法，基于所述的一种风力发电机叶片加热系统，包括以下步骤：
进入机舱内的冷空气加压后，进入运行废热吸收系列设备中进行加热，形成热空气，并将热空气输出至热气流输运系列设备；
热空气经过热气流输运系列设备进入导流罩内，之后进入叶片根部开设的叶片根部孔，进而实现对叶片的加热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种风力发电机叶片加热系统及方法，通过吸收机舱内进行的机械能-机械能、机械能-电能、电能-电能等能量转换不完全过程所产生的废热，将热量通过热空气的形式输送至风力发电机各叶片里，免去了现有风力发电机叶片加热设备需要单独设置电加热单元的问题，节省了大量电加热电能，现阶段，风力发电上网电价较高，运用这种方法有效解决了相关设备造成的电能浪费问题，为发电企业节省了大量运行成本；
同时，随着风力发电机装机容量的不断上涨，风力发电机机舱内机械能-机械能、机械能-电能、电能-电能等能量转换不完全过程所产生的废热越来越多，机舱内需要配备大型的冷却设备对相关设备进行冷却，采用本发明所述的风力发电机叶片加热系统，可以有效地将机舱内部废热进行排除，显著地减小机舱内设备的冷却需求，降低相关冷却设备的功率消耗，节约能源。
进一步地，本发明可以直接用于现有的大部分大型风力发电机，机舱和轮毂内的现有设备不进行过多的改变，只需添加相应分流盘、集风盘、管路等相关设备就可以实现改造的目的，不会对风力发电机整体造成过大的载荷变化，应用前景广阔。
进一步地，本发明通过分流盘和集风盘的设置，实现了静止设备向旋转设备的气力和热力输送，对相关工程和设备具有参考意义。
附图说明
图1是本发明涉及的系统示意图；
图2是分流盘的机舱侧侧视图；
图3是分流盘的导流罩侧视图；
图4是集风盘的机舱侧侧视图；
图5是集风盘的导流罩侧视图；
其中，101、机舱 102、风机 103、第一管道 104、换热系统 105、发热源 106、第三管道 107、第二管道 108、第三管道 109、分流盘 110、密封环 201、导流罩 202、集风盘203、轮毂 204、叶片 205、叶片根部 206、第五管道 1091、入流口 1092、出流口 2021、环形凹槽 2022、集风盘出流口 2031、侧孔 2032、叶片孔 2051、叶片根部孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图1至图5所示，本发明提供了一种风力发电机叶片加热系统，包括布置在静止机舱内的运行废热吸收系列设备，以及布置在运动导流罩内的热气流输运系列设备；所述运行废热吸收系列设备工作时相对地面处于静止状态；所述热气流输运系列设备工作时则因风力机吸收风能的需要整体沿运动导流罩的内腔进行圆周旋转运动。
所述运行废热吸收系列设备包括换热系统104、发热源105和分流盘109，其中，换热系统104的冷端入口通过第一管道103连接风机102的出风口；所述换热系统104的冷端出口通过第二管道107连接发热源105的冷端入口；所述换热系统104的热端入口通过第三管道106连接发热源105的热端出口；所述换热系统104的热端出口通过至少一个第四管道108连接分流盘109的入流口。
所述分流盘109为环形柱状件，安装在机舱靠近导流罩201一侧的开口处；所述分流盘109的外侧壁与机舱开口处的内壁相连接；固定在机舱的壁面上，整体穿过机舱壁面。
所述分流盘109上设置有封闭的环形空腔结构；所述分流盘109的一端端面上开设有至少一个入流口1091，所述入流口1091用于实现第四管道108和分流盘109的环形空腔结构之间的连通。
所述入流口1091的数量与第四管道的数量相一致。
所述分流盘109的另一端端面上开设有与风机叶片数相同的出流口1092，所述出流口1092与分流盘109的环形空腔结构相通；所述出流口1092沿圆周方向布置。
所述热气流输运系列设备包括集风盘202，所述集风盘202安装在导流罩靠近机舱一侧的开口处。
所述集风盘202与分流盘109之间设置有间隙，且两者之间设置有用于实现转动部件密封的密封环110，用以实现两者之间的密封，防止热空气从缝隙处溢出。
所述集风盘202为环形柱状件，所述集风盘202的外侧壁与导流罩开口处的内壁相连接，固定在导流罩201壁面上，整体穿过导流罩壁面。
所述集风盘202的一端端面上开设有环形凹槽2021；所述集风盘202的另一端端面上开设有与风机叶片数相同的集风盘出流口2022；所述集风盘出流口2022与环形凹槽2021连通。
所述环形凹槽2021与分流盘109上的出流口1092相连通，且环形凹槽的宽度大于出流口1092的直径，避免热空气流过时的压降过大。
每个集风盘出流口2022连接有一个第五管道206，每个第五管道206的自由端与一个叶片连通。
所述导流罩201安装在风力发电机的轮毂203上，轮毂203通过主轴与机舱内的发电机连接固定，轮毂为空心厚壁高强度件。
所述轮毂203的侧壁上开设有与叶片数量相同的侧孔2031和叶片孔2032，其中，每个侧孔2031开设在靠近每个集风盘出流口2022一侧；每个叶片孔2032开设在靠近叶片叶根一侧。
所述叶片204安装在叶片孔2032上；所述叶片叶根处安装有叶片根部板205，防止相关人员进入轮毂时发生坠落。
所述叶片根部板205上开设有叶片根部孔2051。
每个侧孔2031与第五管道206连通，所述第五管道206连接叶片根部孔2051。
所述第五管道206采用硬质材料，不易变形和摆动，其在集风盘出流口2022、侧孔2031和叶片根部孔2051处都加以固定，避免其过度摆动，同时其布置时，不影响轮毂内其他相关部件的运动和工作。
所述叶片根部孔2051可与用于日常生产叶片检查的叶片人孔门合一，这种情况下，第五管道206与叶片根部板205的链接应为活动式的，在检查时可拆下，运行时，应将二者重新链接完好。
所述分流盘109、集风盘202、轮毂和导流罩同轴布置。
发热源包括齿轮箱、发电机和电流器。
本发明地工作原理为：
流过风力发电机的风达到一定的风速时，风流经风机叶片204产生升力，带动风力发电机相关设备开始发电，由于机舱101内进行机械能-机械能、机械能-电能、电能-电能等能量转换不完全过程，发热源105开始产生热量。风机102运转从外部环境中抽取冷空气，加压后，经第一管道103输送至换热系统104。
换热系统104通过换热工质吸收发热源105的运行热量加热冷空气为热空气，低温换热工质从第三管道107输入到发热源105后，升温为高温换热工质经第二管道106流回换热系统后与冷空气进行换热，完成一次换热循环；换热系统104加热的热空气经第四管道108从入流口1091输入至分流盘109。
热空气进入分流盘109的空腔里，从出流口1092分流而出，此时，分流盘109相对于地面为静止状态，而集风盘202在气流的作用下为转动状态，但两者间有缝隙保证集风盘202旋转，同时二者间布置有密封环110保证气路密封。
热空气后经集风盘的环形孔2021流入到集风盘202内，再从各集风盘出流口2022流出至管道五206，最后由叶片根部孔2051将热空气输送至叶片内，加热叶片。

Claims (10)

1.一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，包括运行废热吸收系列设备和热气流输运系列设备，其中，运行废热吸收系列设备布置在机舱内，所述运行废热吸收系列设备上设置有冷空气入口和热空气出口，所述热空气出口连接热气流输运系列设备的热空气入口；所述热气流输运系列设备上设置有热空气出流口，所述热空气出流口连接叶片根部开设的叶片根部孔。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，所述运行废热吸收系列设备包括换热系统(104)、发热源(105)和分流盘(109)，其中，换热系统(104)的冷端入口连接风机(102)的出风口；所述换热系统(104)的冷端出口连接发热源(105)的冷端入口；所述换热系统(104)的热端入口连接发热源(105)的热端出口；所述换热系统(104)的热端出口连接分流盘(109)的入流口；所述分流盘(109)的出流口连通热气流输运系列设备。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，所述分流盘(109)为环形柱状件，安装在机舱靠近导流罩(201)一侧的开口处；所述分流盘(109)上设置有封闭的环形空腔结构；所述分流盘(109)的一端端面上开设有入流口(1091)；所述分流盘(109)的另一端端面上开设有与风机叶片数相同的出流口(1092)；所述入流口(1091)和出流口(1092)均与封闭的环形空腔结构连通。
4.根据权利要求3所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，所述多个出流口(1092)沿分流盘(109)的圆周方向布置。
5.根据权利要求3所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，所述入流口(1091)至少开设有一个，每个入流口(1091)连接有一个第四管道；所述第四管道的自由端连接换热系统(104)的热端出口。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，所述热气流输运系列设备包括集风盘(202)为环形柱状结构，且安装在导流罩靠近机舱一侧的开口处；所述集风盘(202)的一端端面上开设有环形凹槽(2021)；所述集风盘(202)的另一端端面上开设有与风机叶片数相同的集风盘出流口(2022)；所述集风盘出流口(2022)与环形凹槽(2021)连通；所述环形凹槽(2021)与运行废热吸收系列设备上的出流口相连通；每个集风盘出流口(2022)连接对一个叶片上的叶片根部孔。
7.根据权利要求6所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，所述环形凹槽(2021)的宽度大于运行废热吸收系列设备上的出流口的直径。
8.根据权利要求6所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，所述集风盘(202)与运行废热吸收系列设备中的分流盘(109)之间连通，且两者之间设置有间隙；所述间隙内设置有密封环(110)。
9.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片加热系统，其特征在于，风力发电机组中的轮毂上开设有与叶片数量相等的侧孔(2301)；所述侧孔(2301)内配合安装有第五管道(206)，所述第五管道(206)的一端与热气流输运系列设备的出流口连通；所述第五管道(206)的另一端与叶片根部开设的叶片根部孔(2051)连通。
10.一种风力发电机叶片加热方法，其特征在于，基于权利要求1-9中任一项所述的一种风力发电机叶片加热系统，包括以下步骤：
进入机舱内的冷空气加压后，进入运行废热吸收系列设备中进行加热，形成热空气，并将热空气输出至热气流输运系列设备；
热空气经过热气流输运系列设备进入导流罩内，之后进入叶片根部开设的叶片根部孔，进而实现对叶片的加热。
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CN112922793A (zh) * 2021-03-02 2021-06-08 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种用于风电机组叶片的高效除冰装置
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